关于Nafion

博纯的Nafion™聚合物经常被认为是神奇的材料,因为它独特的能力将水分从膜的一边转移到另一边。这种转移作为一级动力学反应发生,使其具有高度选择性。

什么是Nafion™聚合物

Nafion™聚合物是Walther Groth在1960年代后期发明的。 Nafion™是全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7辛烯磺酸和四氟乙烯(Teflon®)的共聚物。简单来说,Nafion™是Teflon®主链,并带有另一种碳氟化合物的临时侧链。 侧链终止于磺酸(-SO 3 H)。

Chemical formula‎: ‎C7HF13O5S. C2F4

除了磺酸基团外,Nafion™聚合物是碳氟化合物。如同大多数含氟聚合物一样,它具有极强的耐化学侵蚀性(耐腐蚀)。 磺酸基团固定在主体的碳氟化合物基中,无法移除,但与碳氟化合物基不同,磺酸基团会参与化学反应。 磺酸基的存在为Nafion™增加了三个重要的特性:

  • 由于磺酸基团的强酸性,Nafion™聚合物可作为酸催化剂。
  • 当接触溶液时,Nafion™聚合物起到离子交换树脂的作用。
  • Nafion™聚合物很容易从气相或液相中吸收水。 每个磺酸基团最多吸收13个分子的水。 磺酸基通过大量疏水性聚合物形成离子通道,水也很容易通过这些通道被传输。 Nafion™聚合物的功能就像对水蒸气有选择性的半渗透膜一样。

Nafion™聚合物的物理性质与其他含氟聚合物相似。 它是半透明的塑料。 当用作离子交换膜时,它可以在高达190°C的温度下运行。 当用作干燥管时,它可以在高达150°C的温度下运行。 Nafion™管的破裂压力通常大于200 psig(超过13 bar),但会随直径和壁厚而变化。 Nafion的一个不寻常的特性是它在物理尺寸上的倾向变化。 由于Nafion™吸收水,其溶胀率高达22%。 当它接触到酒精时,其尺寸会膨胀多达88%。

Nafion™聚合物的工作原理

Nafion™聚合物通过一级动力学反应将水分子从膜的一侧转移到另一侧。 这与多孔膜不同,多孔膜依赖于分子的物理大小。 Nafion™聚合物的选择性基于化学反应性,而不是分子的大小,因此它不是传统意义的渗透原理。 Nafion™聚合物选择性地转移水蒸气,而气流中的大多数分析物保持不变。Nafion™聚合物转移水分子的驱动力是其膜两侧的湿度水平之差。 Nafion™聚合物试图在其膜的任一侧达到水蒸气的分压平衡。

Nafion™ 聚合物的渗透性

通过Nafion™ 聚合物可移除

大气气体 H20 水汽
无机物 NH3 氨气
有机物 醇类, DMSO, THF

可变损失

有机物 酸、醛、胺、酮、腈

Nafion™ 聚合物非渗透性

完全保留在样品中

大气气体 Ar, He, H2, N2, O2, O3
卤素 Br2, Cl2, F2, l2
碳氢化合物 简单形态(烷烃)
无机酸 AHCL, HF, HNO3, H2SO4
其它有机物 芳烃、酯类、醚类
氧化物 CO, CO2, SOX, NOX
硫化物 COS, H2S, 硫醇
有毒气体 COCL2, HCN, NOCl

Nafion™ 聚合物和水的气体渗透率

我们经常被问到相对于普通气体,Nafion™聚合物中水的相对选择性。 请参阅该图,了解通过Nafion™的水与某些常见气体的相对气体渗透率。 如您所见,Nafion™在仅传输水而保持其他气体分离的情况下非常有效。

例如,对于H2S和CO2,水的亲和力为1000:1,而O2和N2的亲和力为1,000,000:1